ไทเทเนียมจากซุปเปอร์โนวา

 

ซากซุปเปอร์โนวา คาสสิโอเปีย เอ(Cassiopeia A) ในภาพรวมประกอบจากข้อมูลช่วงตาเห็น และรังสีเอกซ์ พร้อมแสดงสิ่งที่น่าจะเป็นดาวนิวตรอนที่เหลือจากการระเบิด

     นักวิทยาศาสตร์ได้พบชิ้นส่วนของไทเทเนียมที่ระเบิดออกจากซุปเปอร์โนวาที่เป็นที่รู้จักกันดีแห่งหนึ่ง การค้นพบซึ่งทำโดยหอสังเกตการณ์รังสีเอกจันทราของนาซา อาจจะเป็นก้าวย่างสำคัญสู่การระบุอย่างแน่ชัดว่าดาวฤกษ์ยักษ์บางดวงระเบิดได้อย่างไร

     การสำรวจของกล้องจันทราทำกับซากซุปเปอร์โนวาแห่งหนึ่งที่เรียกว่า คาสสิโอเปีย เอ(Cassiopeia A) ซึ่งอยู่ในกาแลคซีของเรา ห่างจากโลกออกไปประมาณ 11000 ปีแสง มันเป็นหนึ่งในซากซุปเปอร์โนวาที่มีอายุน้อยที่สุดแห่งหนึ่ง ด้วยอายุราว 350 ปี

     เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์อับจนที่จะเข้าใจว่าดาวฤกษ์มวลสูงซึ่งเป็นดาวที่มีมวลมากกว่า 10 เท่าดวงอาทิตย์ ระเบิดเมื่อพวกมันหมดเชื้อเพลิงลง ได้อย่างไร ผลสรุปที่ได้จึงเป็นเงื่อนงำใหม่ที่ล้ำค่า Toshiki Sato จากมหาวิทยาลัยริคเคียว ในญี่ปุ่น ซึ่งนำทีมการศึกษาเผยแพร่ใน Nature กล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์คิดว่าไทเทเนียม(titanium) เกือบทั้งหมดที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น ในวงจรอิเลคทรอนิคส์หรือทำเครื่องประดับนั้น ถูกสร้างขึ้นจากการระเบิดของดาวมวลสูง อย่างไรก็ตาม กระทั่งตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่เคยได้พบช่วงเวลาที่ไทเทเนียมที่เสถียรเพิ่งถูกสร้างขึ้นเลย

     เมื่อแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ในดาวมวลสูงหมดลง ใจกลางของดาวจะยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงและก่อตัวเป็นซากดาวที่หนาแน่นสูงที่เรียกว่า ดาวนิวตรอน หรือไม่ก็กลายเป็นหลุมดำ เมื่อดาวนิวตรอนถูกสร้างขึ้น ส่วนในของดาวมวลสูงที่ยุบตัวลงก็จะกระดอนออกจากพื้นผิวดาวนิวตรอน ผลักการยุบตัวออกไป ความร้อนจากเหตุการณ์ทำลายล้างนี้ได้สร้างคลื่นกระแทก(shock wave) ซึ่งคล้ายกับโซนิคบูมจากเครื่องบินที่บินเร็วเหนือเสียง ซึ่งจะวิ่งออกผ่านซากที่เหลือของดาว สร้างธาตุใหม่ๆ โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามเส้นทางที่มันผ่าน อย่างไรก็ตาม ในแบบจำลองคอมพิวเตอร์หลายๆ งานที่จำลองกระบวนการนี้ พลังงานที่เกิดนั้นสูญเสียอย่างรวดเร็วและการเดินทางของคลื่นกระแทกออกข้างนอกก็ถูกหยุดไว้ ไม่เกิดการระเบิดซุปเปอร์โนวาขึ้น

     แต่แบบจำลองคอมพิวเตอร์สามมิติล่าสุดได้บอกว่า นิวตริโน(neutrino) ซึ่งเป็นอนุภาคเสี้ยวอะตอมที่มีมวลต่ำมากๆ ถูกสร้างขึ้นในการก่อตัวของดาวนิวตรอน มีบทบาทสำคัญในการผลักฟองวัสดุสารที่วิ่งออกจากดาวนิวตรอน ฟองเหล่านี้จะผลักคลื่นกระแทกไปข้างหน้าจนระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาได้

ลำดับเหตุการณ์ซุปเปอร์โนวาจากดาวมวลสูง(Type II supernovae) เมื่อแกนกลางที่หมดเชื้อเพลิงลงและยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง บีบอัดวัสดุสารในแกนกลางจนกระทั่งอะตอมแตกออกเป็นองค์ประกอบได้แก่ โปรตอน อิเลคตรอน ซึ่งต่อมารวมตัวกันเป็นนิวตรอน สร้างนิวตริโนออกมา แกนกลางจะพยุงตัวไม่ยุบตัวต่อได้ด้วย แรงดันจากสสารเสื่อมถอยซึ่งเป็นนิวตรอนเกือบทั้งหมด เปลือกก๊าซส่วนนอกที่วิ่งตามเข้ามา ปะทะกับแกนกลางและกระดอนออก เกิดคลื่นกระแทกที่วิ่งออกจากแกนกลางพร้อมกับนิวตริโน ไปทั่วทั้งเปลือกก๊าซส่วนนอก ระเบิดดาวออกกลายเป็นซุปเปอร์โนวา

     ด้วยการศึกษา Cas A งานใหม่ ทีมได้พบหลักฐานที่ชัดเจนของการระเบิดที่ขับเคลื่อนโดยนิวตริโนเช่นนั้น ในข้อมูลจากจันทรา พวกเขาได้พบโครงสร้างคล้ายนิ้วมือที่ชี้ออกจากแหล่งการระเบิด ซึ่งมีธาตุไทเทเนียมและโครเมียมอยู่ด้วย ซ้อนทับในตำแหน่งที่พบซากของเหล็กที่จันทราเคยตรวจพบก่อนหน้านี้ สภาวะที่ต้องการเพื่อสร้างธาตุเหล่านั้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เช่น อุณหภูมิและความหนาแน่นวัสดุสาร ก็สอดคล้องกับฟองในแบบจำลองที่ผลักดันการระเบิด

     ไทเทเนียมที่พบโดยจันทราใน Cas A และที่ทำนายไว้ในแบบจำลองเสมือนจริง เป็นไอโซโทปที่เสถียร ซึ่งหมายความว่าจำนวนของนิวตรอนที่มีในอะตอมจะบอกว่าธาตุจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงโดยกิจกรรมกัมมันตรังสี กลายเป็นธาตุใหม่ที่เบาลง นักดาราศาสตร์ก่อนหน้านี้ที่ใช้ NuSTAR ได้พบไทเทเนียมไอโซโทปที่ไม่เสถียรในตำแหน่งที่แตกต่างออกไปใน Cas A ไอโซโทปไทเทเนียมกัมมันตรังสีนี้ ครึ่งหนึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นสแกนเดียม(scandium) ทุกๆ 60 ปี และจากนั้นก็เป็นคัลเซียม

     เราไม่เคยได้เห็นสัญญาณของฟองไทเทเนียมในซากซุปเปอร์โนวามาก่อนเลย ซึ่งเป็นผลสรุปที่เป็นไปได้ก็เพราะภาพที่คมชัดอย่างไม่น่าเชื่อจากจันทรา Keiichi Maeda ผู้เขียนร่วม จากมหาวิทยาลัยเกียวโต ในญี่ปุ่น กล่าว ผลสรุปของเราเป็นก้าวย่างที่สำคัญในการไขปัญหาว่าดาวเหล่านี้ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาได้อย่างไร Shigehiro Nagataki ผู้เขียนร่วมจาก RIKEN Cluster for Pioneering Research ในญี่ปุ่น กล่าวว่า เมื่อเกิดซุปเปอร์โนวาขึ้น ชิ้นส่วนไทเทเนียมจะถูกสร้างขึ้นลึกภายในดาวมวลสูง ชิ้นส่วนจะแทรกผ่านพื้นผิวดาวมวลสูง ก่อตัวเป็นขอบของซากซุปเปอร์โนวา Cas A นี้

นักดาราศาสตร์ใช้หอสังเกตการณ์รงสีเอกซ์จันทราประกาศการค้นพบไทเทเนียมชนิดที่สำคัญ ที่ระเบิดออกจากใจกลางซากซุปเปอร์โนวา Cassiopeia A สีที่แตกต่างในภาพใหม่นี้ แสดงถึงธาตุที่จันทราได้ตรวจพบใน Cas A เช่น เหล็ก(สีส้ม), ออกซิเจน(สีม่วง) และปริมาณของซิลิกอนเทียบกับมักนีเซียม(สีเขียว) ส่วนไทเทเนียม(สีฟ้าอ่อน) ที่ถูกพบโดย NuSTAR ก่อนหน้านี้ก็แสดงไว้ในภาพ แต่เป็นไทเทเนียมคนละชนิดกับที่พบโดยจันทรา ข้อมูลรังสีเอกซ์เหล่านี้ซ้อนทับอยู่บนภาพช่วงตาเห็นจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล(สีเหลือง)

     ผลสรุปเหล่านี้สนับสนุนแนวคิดการระเบิดที่ขับเคลื่อนด้วยนิวตริโนอย่างชัดเจน เพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นอย่างน้อยก็ในซุปเปอร์โนวาบางแห่งอย่าง Cas A Takashi Yoshida จากมหาวิทยาลัยเกียวโต ผู้เขียนร่วม กล่าวว่า งานวิจัยของเราน่าจะเป็นผลสรุปจากการสำรวจที่สำคัญที่สุดที่พิสูจน์ถึงบทบาทของนิวตริโนในการระเบิดของดาวมวลสูง นับตั้งแต่การตรวจพบนิวตริโนจากซุปเปอร์โนวา 1987A เป็นต้นมา

     นักดาราศาสตร์ใช้เวลามากกว่า 18 วันสำรวจ Cas A ด้วยกล้องจันทราตั้งแต่ปี 2000 ถึง 2018 ระดับของไทเทเนียมเสถียรที่ถูกสร้างใน Cas A นั้นสูงกว่ามวลของโลกเสียอีก

แหล่งข่าว sciencedaily.com : bubble with titanium trigger titanic explosions
                astronomy.com – snapshot: Chandra spots evidence for long-standing theory of how stars explode